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➕ C/C++

const

作用

1. 修饰变量，说明该变量不可以被改变；
2. 修饰指针，分为指向常量的指针（pointer to const）和自身是常量的指针（常量指针，const pointer）；
3. 修饰引用，指向常量的引用（reference to const），用于形参类型，即避免了拷贝，又避免了函数对值的修改；
4. 修饰成员函数，说明该成员函数内不能修改成员变量。

const 的指针与引用

• 指针
  • 指向常量的指针（pointer to const）
  • 自身是常量的指针（常量指针，const pointer）
• 引用
  • 指向常量的引用（reference to const）
  • 没有 const reference，因为引用只是对象的别名，引用不是对象，不能用 const 修饰

（为了方便记忆可以想成）被 const 修饰（在 const 后面）的值不可改变，如下文使用例子中的 p2、p3

使用

const 使用

// 类
class A
{
private:
    const int a;                // 常对象成员，可以使用初始化列表或者类内初始化

public:
    // 构造函数
    A() : a(0) { };
    A(int x) : a(x) { };        // 初始化列表

    // const可用于对重载函数的区分
    int getValue();             // 普通成员函数
    int getValue() const;       // 常成员函数，不得修改类中的任何数据成员的值
};

void function()
{
    // 对象
    A b;                        // 普通对象，可以调用全部成员函数
    const A a;                  // 常对象，只能调用常成员函数
    const A *p = &a;            // 指针变量，指向常对象
    const A &q = a;             // 指向常对象的引用

    // 指针
    char greeting[] = "Hello";
    char* p1 = greeting;                // 指针变量，指向字符数组变量
    const char* p2 = greeting;          // 指针变量，指向字符数组常量（const 后面是 char，说明指向的字符（char）不可改变）
    char* const p3 = greeting;          // 自身是常量的指针，指向字符数组变量（const 后面是 p3，说明 p3 指针自身不可改变）
    const char* const p4 = greeting;    // 自身是常量的指针，指向字符数组常量
}

// 函数
void function1(const int Var);           // 传递过来的参数在函数内不可变
void function2(const char* Var);         // 参数指针所指内容为常量
void function3(char* const Var);         // 参数指针为常量
void function4(const int& Var);          // 引用参数在函数内为常量

// 函数返回值
const int function5();      // 返回一个常数
const int* function6();     // 返回一个指向常量的指针变量，使用：const int *p = function6();
int* const function7();     // 返回一个指向变量的常指针，使用：int* const p = function7();

宏定义 #define 和 const 常量

宏定义 #define	const 常量
宏定义，相当于字符替换	常量声明
预处理器处理	编译器处理
无类型安全检查	有类型安全检查
不分配内存	要分配内存
存储在代码段	存储在数据段
可通过 #undef 取消	不可取消

static

作用

1. 修饰普通变量，修改变量的存储区域和生命周期，使变量存储在静态区，在 main 函数运行前就分配了空间，如果有初始值就用初始值初始化它，如果没有初始值系统用默认值初始化它。
2. 修饰普通函数，表明函数的作用范围，仅在定义该函数的文件内才能使用。在多人开发项目时，为了防止与他人命名空间里的函数重名，可以将函数定位为 static。
3. 修饰成员变量，修饰成员变量使所有的对象只保存一个该变量，而且不需要生成对象就可以访问该成员。
4. 修饰成员函数，修饰成员函数使得不需要生成对象就可以访问该函数，但是在 static 函数内不能访问非静态成员。

this 指针

1. this 指针是一个隐含于每一个非静态成员函数中的特殊指针。它指向调用该成员函数的那个对象。
2. 当对一个对象调用成员函数时，编译程序先将对象的地址赋给 this 指针，然后调用成员函数，每次成员函数存取数据成员时，都隐式使用 this 指针。
3. 当一个成员函数被调用时，自动向它传递一个隐含的参数，该参数是一个指向这个成员函数所在的对象的指针。
4. this 指针被隐含地声明为: ClassName *const this，这意味着不能给 this 指针赋值；在 ClassName 类的 const 成员函数中，this 指针的类型为：const ClassName* const，这说明不能对 this 指针所指向的这种对象是不可修改的（即不能对这种对象的数据成员进行赋值操作）；
5. this 并不是一个常规变量，而是个右值，所以不能取得 this 的地址（不能 &this）。
6. 在以下场景中，经常需要显式引用 this 指针：
   1. 为实现对象的链式引用；
   2. 为避免对同一对象进行赋值操作；
   3. 在实现一些数据结构时，如 list。

inline 内联函数

特征

• 相当于把内联函数里面的内容写在调用内联函数处；
• 相当于不用执行进入函数的步骤，直接执行函数体；
• 相当于宏，却比宏多了类型检查，真正具有函数特性；
• 编译器一般不内联包含循环、递归、switch 等复杂操作的内联函数；
• 在类声明中定义的函数，除了虚函数的其他函数都会自动隐式地当成内联函数。

使用

inline 使用

// 声明1（加 inline，建议使用）
inline int functionName(int first, int second,...);

// 声明2（不加 inline）
int functionName(int first, int second,...);

// 定义
inline int functionName(int first, int second,...) {/****/};

// 类内定义，隐式内联
class A {
    int doA() { return 0; }         // 隐式内联
}

// 类外定义，需要显式内联
class A {
    int doA();
}
inline int A::doA() { return 0; }   // 需要显式内联

编译器对 inline 函数的处理步骤

1. 将 inline 函数体复制到 inline 函数调用点处；
2. 为所用 inline 函数中的局部变量分配内存空间；
3. 将 inline 函数的的输入参数和返回值映射到调用方法的局部变量空间中；
4. 如果 inline 函数有多个返回点，将其转变为 inline 函数代码块末尾的分支（使用 GOTO）。

优缺点

优点

1. 内联函数同宏函数一样将在被调用处进行代码展开，省去了参数压栈、栈帧开辟与回收，结果返回等，从而提高程序运行速度。
2. 内联函数相比宏函数来说，在代码展开时，会做安全检查或自动类型转换（同普通函数），而宏定义则不会。
3. 在类中声明同时定义的成员函数，自动转化为内联函数，因此内联函数可以访问类的成员变量，宏定义则不能。
4. 内联函数在运行时可调试，而宏定义不可以。

缺点

1. 代码膨胀。内联是以代码膨胀（复制）为代价，消除函数调用带来的开销。如果执行函数体内代码的时间，相比于函数调用的开销较大，那么效率的收获会很少。另一方面，每一处内联函数的调用都要复制代码，将使程序的总代码量增大，消耗更多的内存空间。
2. inline 函数无法随着函数库升级而升级。inline函数的改变需要重新编译，不像 non-inline 可以直接链接。
3. 是否内联，程序员不可控。内联函数只是对编译器的建议，是否对函数内联，决定权在于编译器。

虚函数（virtual）可以是内联函数（inline）吗？

Are "inline virtual" member functions ever actually "inlined"?

• 虚函数可以是内联函数，内联是可以修饰虚函数的，但是当虚函数表现多态性的时候不能内联。
• 内联是在编译期建议编译器内联，而虚函数的多态性在运行期，编译器无法知道运行期调用哪个代码，因此虚函数表现为多态性时（运行期）不可以内联。
• inline virtual 唯一可以内联的时候是：编译器知道所调用的对象是哪个类（如 Base::who()），这只有在编译器具有实际对象而不是对象的指针或引用时才会发生。

虚函数内联使用

#include <iostream>  
using namespace std;
class Base
{
public:
	inline virtual void who()
	{
		cout << "I am Base\n";
	}
	virtual ~Base() {}
};
class Derived : public Base
{
public:
	inline void who()  // 不写inline时隐式内联
	{
		cout << "I am Derived\n";
	}
};

int main()
{
	// 此处的虚函数 who()，是通过类（Base）的具体对象（b）来调用的，编译期间就能确定了，所以它可以是内联的，但最终是否内联取决于编译器。 
	Base b;
	b.who();

	// 此处的虚函数是通过指针调用的，呈现多态性，需要在运行时期间才能确定，所以不能为内联。  
	Base *ptr = new Derived();
	ptr->who();

	// 因为Base有虚析构函数（virtual ~Base() {}），所以 delete 时，会先调用派生类（Derived）析构函数，再调用基类（Base）析构函数，防止内存泄漏。
	delete ptr;
	ptr = nullptr;

	system("pause");
	return 0;
} 

volatile

volatile int i = 10; 

• volatile 关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素（操作系统、硬件、其它线程等）更改。所以使用 volatile 告诉编译器不应对这样的对象进行优化。
• volatile 关键字声明的变量，每次访问时都必须从内存中取出值（没有被 volatile 修饰的变量，可能由于编译器的优化，从 CPU 寄存器中取值）
• const 可以是 volatile （如只读的状态寄存器）
• 指针可以是 volatile

assert()

断言，是宏，而非函数。assert 宏的原型定义在 <assert.h>（C）、<cassert>（C++）中，其作用是如果它的条件返回错误，则终止程序执行。可以通过定义 NDEBUG 来关闭 assert，但是需要在源代码的开头，include <assert.h> 之前。

assert() 使用

#define NDEBUG          // 加上这行，则 assert 不可用
#include <assert.h>

assert( p != NULL );    // assert 不可用

sizeof()

• sizeof 对数组，得到整个数组所占空间大小。
• sizeof 对指针，得到指针本身所占空间大小。

编译器扩展与标准对齐控制

• 编译器扩展：#pragma pack(n)，将随后定义的 struct/class/union 的成员最大对齐限制为 n 字节。
• 标准对齐控制：
  • alignas(k)，要求类型或变量至少按 k 字节对齐（向上取整到 ≥ 自然对齐）。
  • alignof(T)，获取类型 T 的自然对齐要求（编译时常量）。

特性	#pragma pack	alignas
标准化	❌ 编译器扩展	✅ C++11标准
对齐方向	⬇️ 只能减小对齐	⬆️ 只能增大对齐
可移植性	❌ 编译器依赖	✅ 跨平台
作用范围	🔄 影响整个结构	🎯 可针对单个成员
性能影响	⚠️ 可能降低内存访问速度	⚠️ 过度对齐浪费空间

使用

#include <cstddef>
#include <iostream>

#pragma pack(push, 1)             // 最大对齐 1 字节，紧凑布局
struct PackedHeader {
    uint16_t len;                // offset 0
    uint32_t id;                 // offset 2
};
#pragma pack(pop)

struct alignas(8) Align8 {
    double  value;               // offset 0, 占 8 字节
    int     flag;                // offset 8
};

int main() {
    std::cout << "PackedHeader size: " << sizeof(PackedHeader) << "\n"; // 6
    std::cout << "Align8 size: " << sizeof(Align8) << "\n";             // 16
}

位域

Bit mode: 2;    // mode 占 2 位

类可以将其（非静态）数据成员定义为位域（bit-field），在一个位域中含有一定数量的二进制位。当一个程序需要向其他程序或硬件设备传递二进制数据时，通常会用到位域。

• 位域在内存中的布局是与机器有关的
• 位域的类型必须是整型或枚举类型，带符号类型中的位域的行为将因具体实现而定
• 取地址运算符（&）不能作用于位域，任何指针都无法指向类的位域

extern 与 extern "C"

• extern 是存储类说明符（storage-class-specifier），用于声明变量或函数具有外部链接，表示实体的定义可能在其他翻译单元中。
• extern "C" 是链接指示（linkage directive），它指定函数或变量使用 C 语言链接（不影响编译规则）。
  1. 禁止 C++ 名称修饰。确保符号名称与该平台下 C 编译器生成的名称一致，避免链接时因名称修饰导致的未定义符号错误，但不保证平台 ABI（应用二进制接口）一致性。
  2. 实现 C/C++ 互操作。允许 C++ 函数被 C 代码调用（或反之）。

extern "C" 使用

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

void *memset(void *, int, size_t);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

struct 和 typedef struct

C 中

// c
typedef struct Student {
    int age; 
} S;

等价于

// c
struct Student { 
    int age; 
};

typedef struct Student S;

此时 S 等价于 struct Student，但两个标识符名称空间不相同。

另外还可以定义与 struct Student 不冲突的 void Student() {}。

C++ 中

由于编译器定位符号的规则（搜索规则）改变，导致不同于C语言。

一、如果在类标识符空间定义了 struct Student {...};，使用 Student me; 时，编译器将搜索全局标识符表，Student 未找到，则在类标识符内搜索。

即表现为可以使用 Student 也可以使用 struct Student，如下：

// cpp
struct Student { 
    int age; 
};

void f( Student me );       // 正确，"struct" 关键字可省略

二、若定义了与 Student 同名函数之后，则 Student 只代表函数，不代表结构体，如下：

typedef struct Student { 
    int age; 
} S;

void Student() {}           // 正确，定义后 "Student" 只代表此函数

//void S() {}               // 错误，符号 "S" 已经被定义为一个 "struct Student" 的别名

int main() {
    Student(); 
    struct Student me;      // 或者 "S me";
    return 0;
}

C++ 中 struct 和 class

总的来说，struct 更适合看成是一个数据结构的实现体，class 更适合看成是一个对象的实现体。

区别

• 最本质的一个区别就是默认的访问控制
  1. 默认的继承访问权限。struct 是 public 的，class 是 private 的。
  2. struct 作为数据结构的实现体，它默认的数据访问控制是 public 的，而 class 作为对象的实现体，它默认的成员变量访问控制是 private 的。

union 联合

联合（union）是一种节省空间的特殊的类，一个 union 可以有多个数据成员，但是在任意时刻只有一个数据成员可以有值。当某个成员被赋值后其他成员变为未定义状态。联合有如下特点：

• 默认访问控制符为 public
• 可以含有构造函数、析构函数
• 不能含有引用类型的成员
• 不能继承自其他类，不能作为基类
• 不能含有虚函数
• 匿名 union 在定义所在作用域可直接访问 union 成员
• 匿名 union 不能包含 protected 成员或 private 成员
• 全局匿名联合必须是静态（static）的

union 使用

#include<iostream>

union UnionTest {
    UnionTest() : i(10) {};
    int i;
    double d;
};

static union {
    int i;
    double d;
};

int main() {
    UnionTest u;

    union {
        int i;
        double d;
    };

    std::cout << u.i << std::endl;  // 输出 UnionTest 联合的 10

    ::i = 20;
    std::cout << ::i << std::endl;  // 输出全局静态匿名联合的 20

    i = 30;
    std::cout << i << std::endl;    // 输出局部匿名联合的 30

    return 0;
}

C 实现 C++ 类

C 实现 C++ 的面向对象特性（封装、继承、多态）

• 封装：使用函数指针把属性与方法封装到结构体中
• 继承：结构体嵌套
• 多态：父类与子类方法的函数指针不同

Can you write object-oriented code in C? [closed]

explicit（显式）关键字

• explicit 修饰构造函数时，可以防止隐式转换和复制初始化
• explicit 修饰转换函数时，可以防止隐式转换，但 按语境转换 除外

explicit 使用

struct A
{
	A(int) { }
	operator bool() const { return true; }
};

struct B
{
	explicit B(int) {}
	explicit operator bool() const { return true; }
};

void doA(A a) {}

void doB(B b) {}

int main()
{
	A a1(1);		// OK：直接初始化
	A a2 = 1;		// OK：复制初始化
	A a3{ 1 };		// OK：直接列表初始化
	A a4 = { 1 };		// OK：复制列表初始化
	A a5 = (A)1;		// OK：允许 static_cast 的显式转换 
	doA(1);			// OK：允许从 int 到 A 的隐式转换
	if (a1);		// OK：使用转换函数 A::operator bool() 的从 A 到 bool 的隐式转换
	bool a6(a1);		// OK：使用转换函数 A::operator bool() 的从 A 到 bool 的隐式转换
	bool a7 = a1;		// OK：使用转换函数 A::operator bool() 的从 A 到 bool 的隐式转换
	bool a8 = static_cast<bool>(a1);  // OK ：static_cast 进行直接初始化

	B b1(1);		// OK：直接初始化
	B b2 = 1;		// 错误：被 explicit 修饰构造函数的对象不可以复制初始化
	B b3{ 1 };		// OK：直接列表初始化
	B b4 = { 1 };		// 错误：被 explicit 修饰构造函数的对象不可以复制列表初始化